隨著直流源荷和柔性直流技術的發展，交直流混合配電網可更高效地接納直流源荷，是未來配電網的重要發展方向。文章首先對交直流混合配電網的優勢、國內外相關技術研究現狀進行歸納;其次對交直流混合配電網的拓撲結構、優化規劃、調度控制、經濟性評估等關鍵技術問題進行總結分析;最后對交直流混合配電網的應用前景進行展望。
傳統配電網面對日益多樣化的負荷和用電需求，在可靠性、經濟適用性、高效性等方面面臨巨大挑戰。國家發展和改革委員會聯合國家能源局于2015年、2016年分別出臺《配電網建設改造行動計劃(2015-2020年)的通知》和《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》等文件，明確指出要推動可再生能源生產智能化，建設高靈活性的柔性能源網絡，保證能源傳輸的靈活可控和安全穩定，大幅提升配電網接納新能源、分布式電源及多元化負荷的能力，優化配電網網架結構，提升供電可靠性水平。
目前，發用電技術的多樣化發展需求，很大程度體現在直流電源與直流負荷的日益增加。光伏電源、風力發電、燃料電池、儲能單元(電池、超級電容器等)產生的電能大部分為直流電;常用的電氣設備及大型直流負荷，如計算機、空調設備、制冷設備、電動汽車、數據中心、電氣化機車等采用直流供電更為方便。在交流配電網中，上述直流源荷都需要通過DC/AC、AC/DC、DC/DC變流器接入相應電壓等級的交流配電網，或者先組網為直流微電網再經由變流器接入交流配電網。如果直接接入相應等級的直流配電網，可以省去部分變流器，減小損耗，提高電網的供配電效率及經濟性。此外，交直流混合配電網中直流部分不存在同步問題，可以有效隔離交流側擾動和故障，保證高可靠性供電。柔性直流技術在配電網中的發展應用使交直流混合配電網可實現輸送功率的靈活控制，在常態運行中保障交直流發用電設備的高效接入，并在緊急狀態下實現快速的跨區功率支撐。
目前國內外在交直流混合配電網領域的相關研究及示范工程尚在起步階段，針對直流配電網的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亞理工大學CPES中心于2007年提出“Sustainable Building Initiative(SBI)”計劃，于2010年將其發展為“SBN(Sustainable Building and Nanogrids)”，并且提出了基于分層互聯交直流子網混合結構概念性互聯網絡結構。北卡羅萊納州立大學于2011年提出“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”結構，適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲能的交直流混合配電網結構。阿爾伯塔大學于2012年提出了基于變流器的交直流混合配電網結構，給出小信號分析模型并分析其穩定性。
在歐洲，意大利羅馬第二大學和英國諾丁漢大學于2008年針對交直流混合配電網提出“Universal and Flexible Power Management(UNIFLEX-PM)”方案，在各個電網的不同工況下實現能量的雙向流動。羅馬尼亞布加勒斯特理工大學于2007年提出含有替代電源的直流配電網結構，實驗證明該結構提高了電網的運行效率和電能質量。意大利米蘭理工大學提出含有分布式電源的本地直流配電網結構，實現分布式電源、負荷與電網之間能量的雙向流動。
在國內針對交直流混合配電網的研究剛剛起步，目前相關研究成果主要集中在直流配電網方面。優化規劃方面，已有對直流配電網的拓撲、電壓等級、規劃方法、可靠性、經濟性和綜合評估等問題的研究。運行調度方面，有學者對直流配電網的潮流計算、電壓分布、含分布式電源的調度等問題進行了研究。控制保護方面，對直流配電網建
模、控制策略、保護等問題均有相關研究。此外，相關“863計劃”項目獲得立項支持，其中由北京市電力公司承擔的“863計劃”項目“交直流混合配電網關鍵技術”于2015年正式啟動，旨在實現面向城市不同供電區域之間柔性直流互聯和交直流混合環網閉環運行控制，從而解決高密度可再生能源接入問題并保障交流配電網可靠性。
本文將結合現有研究成果，對交直流混合配電網的網架結構、優化規劃、調度控制、經濟性評估等內容進行歸納總結。
1 交直流混合配電網網架結構
交直流混合配電網網架結構對運行可靠性、靈活性、經濟性等方面都有重要影響。傳統交流配電網的網架結構已經非常成熟，國內外均有相關網架結構標準和案例。目前針對交直流混合配電網網架結構的研究較少，主要研究工作集中在直流配電網的網架結構設計。交直流混合配電網網架結構設計需要綜合考慮現有交流配電網的網架結構和直流配電網的研究成果，提出交直流混合配電網網架結構設計方案。
我國交流配電網中，高壓配電網網架結構主要有鏈式、環網和輻射狀結構;中壓配電網結構主要有雙環式、單環式、多分段適度聯絡和輻射狀結構;低壓配電網一般采用輻射狀結構。10kV配電網結構根據架空網和電纜網的不同可以分為2類：架空網主要包括輻射式接線和多分段適度聯絡接線2種模式;電纜網主要包括單環式接線和雙環式接線2種模式。北京市高壓配電網以環網建設、放射狀運行為主(“手拉手”式網架結構)。巴黎城區的電纜網采用三環網T接或雙環網T接方式;東京22kV電纜網采用主線備用線、環形、點狀網絡接線方式;新加坡采用“花瓣式”結構，22kV配電網采用環網連接、并列運行方式。
直流配電網網架結構主要有輻射型、兩端供電型和環型直流配電網。①輻射型直流配電網由不同電壓等級的直流母線組成骨干網絡，分布式電源、交流負載與直流負載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結構簡單，對控制保護要求低，但供電可靠性較低;②兩端供電型直流配電網與輻射型直流配電網相比，當一側電源故障時，可以通過操作聯絡開關，由另一側電源供電，實現負荷轉供，提高整體可靠性;③環型直流配電網相比于兩端供電型直流配電網，可實現故障快速定位、隔離，其運行方式與兩端供電型直流配電網相似，且供電可靠性更高。
根據不同的應用需求，交直流混合配電網可分為含柔性直流裝置的交直流混合配電網與含直流網的交直流混合配電網，前者適用于直流源荷較少的情況，后者更加適合高密度直流源荷接入的情況。含直流網的交直流混合配電網接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(交直流線路間無聯絡)、多分段適度聯絡型交直流混合配電網(交直流線路間有聯絡)，兩者的網絡結構分別見圖1、圖2。
根據端口數的不同，含柔性直流裝置的交直流混合配電網主要包括兩端互聯、三端互聯、四端互聯和六端互聯等方式。
2 交直流混合配電網優化規劃技術
交直流混合配電網的優化規劃問題是配電網結構設計階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網的安全、可靠、經濟運行具有重要意義。
目前與交直流混合配電網優化規劃相關的研究，主要是基于傳統交流配電網規劃方法的成果，在直流配電網或直流微電網的一些特殊應用場合的規劃問題中進行應用。例如，針對海上風電接入配電網已有相關研究;此外，有學者對孤島直流微電網運行控制進行了相關研究，文獻[36～37]提出孤島直流微電網的運行方式及控制策略;文獻[38]針對直流微電網提出基于本地電壓分段控制策略的穩定性控制方法;文獻[39]研究了直流微電網的能量協調控制問題。而針對交直流混合配電網的規劃問題，著力解決在城市現有交流配電網中擴建直流子系統(包含柔性直流互聯裝置以及直流線路)的規劃方法，并沒有特別研究其關鍵技術及可行的規劃方法。
基于優化問題所需要涉及考慮的優化變量、優化目標和約束條件3方面內容，交直流混合配電網的規劃模型具有其自身的特征。
模型的優化變量需要擴展考慮直流源、荷以及柔性直流裝置的位置和容量;此外，也可結合交直流混合配電網調度運行方式增加相應的優化變量。
交直流混合配電網的優化目標依然從經濟性最優、可靠性最優2方面進行評估。經濟性評估主要從全壽命周期內投資成本、運行成本和經濟性評價指標(凈現值、投資回收期等)3方面進行評估。含有柔性直流互聯裝置的交直流混合配電網由于裝置成本占比較大，需要深入討論成本不確定性對經濟性結論的影響，從而調整優化規劃目標;含有直流線路的交直流混合配電網由于其基于已有交流配電網進行擴展規劃，通常建設時間較長，且根據直流子系統成熟度的遞增，一般可分為多個建設階段去考慮其經濟性優化的規劃目標。交直流混合配電網的可靠性評估需要反映柔性直流設備和網絡運行的綜合可靠性，并在直流子系統所能提供的緊急功率支撐條件下討論其對網絡可靠性的提升。
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現階段大量的研究主要集中在經濟性單目標優化方面：文獻[41]考慮經濟性，以網損最小為目標函數，建立了配電網重構二階錐規劃模型;文獻[42]以最小規劃年綜合費用最小為目標函數，包括線路投資費用、折舊費用和運行中年電能損耗費用，建立基于協同遺傳算法的配電網規劃模型。由于經濟性單目標優化包含的信息十分有限，多目標優化已經成為配電網規劃的研究方向：文獻[43]采用多目標規劃方法，引入電能質量目標函數，以規劃電網線路總長度最短和風電場公共接入點PCC處閃變值最小為目標函數，建立基于改進NSGA2算法的規劃模型;文獻[44]建立以最小化配電網投資、最小化網絡損耗為目標函數的多目標規劃模型。
考慮交直流混合配電網的優化模型，優化規劃問題的求解可基于以下幾類算法進行嘗試：第一類是解析算法，包括線性規劃、非線性規劃和混合整數規劃等;第二類是智能算法，包括遺傳算法、禁忌搜索算法和蟻群算法等;另外，還有基于圖論的最小生成樹等方法。
在相關的優化規劃算法嘗試方面，文獻[45]提出了基于地理信息系統和遺傳算法的配電網優化規劃方法，綜合考慮投資、維護和運行費用，包括用戶停電損失，考慮了配電網的可靠性價值;文獻[46]提出了基于蟻群算法的配電網網架優化規劃方法，將蟻群算法應用于配電網網架優化規劃問題的研究，建立了網架規劃的數學模型;文獻[47]提出了一種基于改進最小生成樹算法的配電網網架優化規劃方案，將配電網的電源點和負荷點當作頂點，將各個頂點間可能架設線路的走廊當作邊，將線路的建設費用和運行費用(主要為線損)之和作為各條邊的權，在采用基本最小生成樹算法獲得初步規劃方案的基礎上，采取動態調整各條邊的權值并反復迭代的方法，獲得總費用最小的優化規劃結果;文獻[48]將多粒子群協同優化算法應用于配電網網架結構研究;文獻[49]利用混合整數線性規劃方法解決大型風電場并網規劃問題。
交直流混合配電網規劃問題屬于大規模組合規劃問題，對于實際大系統，第一類解析算法計算時間通常較長，容易造成“維數災”問題，一般適用于小系統。如果需要采用解析算法(智能算法無法處理或陷入局部最優解)，需要對交直流混合配電網先進行分區，再對每個子區域進行規劃求解。第二類智能算法對數據的要求較低且可同時考慮多個目標函數和約束條件，適用于交直流混合配電網規劃問題。另外，大部分智能算法均可實現并行計算，可在交直流混合配電網分區的基礎上，利用智能算法的并行特性提高求解速度，且能做到在各個配電網分區間的信息交互，實現交直流混合配電網各個子分區間的聯合規劃。
3 交直流混合配電網調度與控制技術
智能電網的發展趨勢，對配電網的可控性提出了更高的要求。傳統交流配電網的可控性較差，而在交直流混合配電網中，柔性直流換流器可以靈活地調節有功功率和無功功率，大大提升了電網的控制能力，與此同時，也對配電網的調度與控制提出了更高的要求。
3.1 交直流混合配電網的調度方案
交直流混合配電網的調度方案應當結合分布式電源、儲能設備以及實際的負荷特性進行制定。由于交直流混合配電網相對傳統配電網具有不同的拓撲結構以及運行方式，因此兩者的調度方式也有所不同，交直流混合配電網中可借助柔性互聯裝置，實現多區域間潮流的廣域調度。
目前針對交直流混合配電網優化調度的研究相對較少，研究成果也相對集中在柔性交直流混合電網的最優潮流(optimal power flow，OPF)方面。文獻[52～54]分別利用遺傳算法、牛頓法以及二階錐規劃的相關技術對交直流混合電網OPF問題進行了建模和求解。在電力系統中，內點法是一種常用的優化算法，文獻[55]建立了交直流混合電網內點法OPF模型。在此基礎上，學者們進一步研究了考慮暫態穩定的交直流混合電網OPF等問題，推進了相關方法的實用化進程。在OPF研究的基礎上，已有部分研究人員對考慮多時段的交直流混合電網調度問題進行了研究，采用的方法包括通過簡化模型降低問題的求解難度，或者通過優化分解算法，將較復雜的交直流混合電網調度問題分解為若干子問題，分別進行求解等。
在上述問題中，通過優化分解算法，采用分布式的思想構建交直流混合配電網的優化調度方案，是一個較有前景的研究方向。首先，交直流混合配電網分區清晰，易于劃分各個優化主體，并且利用柔性直流換流站的功率控制能力，也可降低各子優化問題的建模和求解難度;其次，各個交流配電網區域原本就獨立運行，極大地便利了分布式優化控制系統的部署，利用分布式優化也可以充分利用各個區域的自主運行能力，進行并行計算;最后，通過分布式優化，可以避免配電網內大量信息的遠距離報送，減小了通信的需求，也保護了內部運行信息的安全。
本文研究了交直流混合配電網的多源協同分層分布式優化調度方案，其結構見圖3。
圖3 交直流混合配電網的分層分布式優化調度策略
該策略利用分層調度和分布式優化理論和方法，對含有多類型分布式發電的交直流混合主動配電網進行優化調度，以實現電能的高效生產和使用。在局部調度層，對可再生分布式能源發電結合儲能裝置進行聯合出力優化;在區域調度層，根據局部調度層的優化結果對配電網區域內的可控分布式發電以及區域間的交換功率進行調度，優化配電網的供電方式。通過仿真研究，可以證明該分層分布式優化調度策略的可行性和有效性，在局部調度層可以充分利用可再生能源，并有效利用儲能平抑波動;在區域調度層，通過分布式優化調度，可以得到整體交直流混合配電網的最優供電方案，且驗證了通過構建交直流混合配電網，可以更好地利用各個交流配電網區域不同的負荷特性，實現能量的廣域調度。
在上述分層分布式優化調度策略中，本文采用了基于分析目標級聯的分布式優化方法，從而將交直流混合配電網的優化調度問題分解到交流配電網區域和直流配電網區域分別進行求解，見圖4
3.2 交直流混合配電網的協調控制策略
多端柔性直流配電網將是構建交直流混合配電網的重要組成部分，其可靠的協調控制策略是交直流混合配電網能夠正常運行的重要保障。多端柔性直流配電網的運行控制通常采用分層的形式，分為系統級控制以及換流站級控制，其中系統級控制實現直流電網的功率平衡和電壓穩定，換流站級控制實現各個換流站快速跟隨上級運行指令，并調整其運行點。系統級控制、換流站級控制與3.1節所述調度級控制共同構成了交直流混合配電網的調度控制系統，見圖5。
對于系統級控制，可進一步分為一次和二次控制層。其中二次控制層通過快速優化控制，可消除一次控制誤差，實現多端柔性直流系統的優化運行。加入二次控制層，還可以為系統級控制帶來諸多好處，例如，可通過二次優化控制為系統級一次協調控制提供參考;或在二次控制層中通過N-1校核等手段提高系統運行的可靠性。系統級一次控制常通過設定各個換流站之間的控制模式實現，包括主從控制、電壓偏差控制和下垂控制等。其中電壓偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更寬的系統運行范圍，因此更受到認可。相關研究多集中在對上述幾種控制模式的改進，以獲得更好的協調控制效果，研究思路包括將不同的控制模式加以結合，從而在系統運行點改變時選擇合適的協調模式;或通過附加控制環以自適應地修正協調控制參數，從而獲得更優的控制效果等。
對于換流站級控制，矢量控制是目前最常用的控制形式，通過坐標變換將abc坐標系轉換至旋轉的dq坐標系，從而實現對有功功率和無功功率的直接控制。最常見的矢量控制形式利用比例—積分(proportional-integral，PI)控制器進行設計。這種形式的控制器可能存在因運行點大范圍變化而使控制效果變差的問題，因此，很多學者在其基礎上進行了改進，以改善其控制效果。
本文研究了多端柔性直流系統的分散非線性控制策略，其“分散”的特性可以保證各換流站在較少通信的條件下仍可以自主協調運行，而“非線性”的特性可以保證在運行點大范圍變化的條件下仍具有良好的控制性能，從而能夠融合多端柔性直流系統的系統級一次控制和換流站級控制目標，獲得更優的協調控制效果。
在交直流混合配電網中，間歇式分布式電源和負荷的功率波動會導致系統運行點在較大的范圍內發生變化，也給多端柔性直流配電網的控制的魯棒性和有效性提出了更高的要求。針對相關問題，有學者提出了“魯棒優化”等新興優化思想，其特點是可以保證運行點波動時結果的可行性和最優性，相關研究可為系統級二次控制層提供借鑒。此外，可進一步探索針對多端柔性直流系統的分散非線性控制方法，融合系統級一次控制與換流站級控制的功能，使多個換流站在分散、少通信的情況下，利用非線性控制保證在運行點大范圍變化的情況下仍具有良好的控制效果。上述角度將是多端柔性直流配電網協調控制層面需持續研究的問題，其結構見圖7。
4 交直流混合配電網經濟性評估
經濟性評估環節，是減少和避免交直流混合配電網建設項目決策失誤并提高項目經濟效益的重要手段。
傳統的交直流混合經濟性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態評估法和動態評估法：靜態評估法在評價工程項目投資的經濟效果時，不考慮資金的時間價值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項目在使用期內收益和費用的變化及各方案使用壽命的差異;動態評估法考慮了資金的時間因素，比較符合資金的動態規律，因而給出的經濟性評價更符合實際，主要包括凈現值法、內部收益率法、動態投資回收期法和費用現值比較法。
在交直流混合配電網經濟性評估中，可以采用靜態評估對交直流混合配電網的經濟性進行初步預估計，但其結果不能用于實際論證。動態評價法雖然考慮了資金的時間價值，但交直流混合配電網中技術經濟變量的不確定性較大，動態評估法也不能保證評估結果的準確性。
不確定性評估方法主要包括盈虧平衡分析和基于區間的經濟評價算法。盈虧平衡分析用來研究項目的產品產量與項目的成本及收入之間關系，進而確定項目的盈虧平衡分析。盈虧平衡分析針對當某一參數或原始數據完全無法確定時，通過分析該參數的取值范圍，以確定該參數在什么范圍內方案是經濟可取的，在什么范圍內方案是不經濟的。基于區間的經濟評價算法對現金流、利率和生命期等概念加以擴展，使之不再是一個確定的數值，而是一個區間數，進而基于區間分析對項目進行經濟性評價。
在交直流混合配電網經濟性評估中，基于區間的分析方法具有簡單易行且能較好處理不確定性信息的特點，比較適合于不確定性經濟評價。但是該方法雖然在一定程度上考慮了技術經濟變量的不確定性，但是提供的評估結果是一個區間數，并不能提供區間上的概率分布信息。
此外，還有應用較為廣泛的全壽命周期方法。當前配電系統經濟性評估中，存在忽視中長期成本、注重短期投資的問題，為了彌補這一問題，引入全壽命周期成本經濟性評價方法。該方法在產品壽命周期或其預期的有效壽命期內，考慮了產品設計、研究和研制、投資、使用、維修及產品保障中，發生或可能發生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費用的總和，此方法雖然考慮了全壽命周期內的設備和系統的成本效益，但是沒有考慮技術經濟變量的不確定性。
綜上，在交直流混合配電網經濟性評估中，傳統的經濟性評估算法已經難以適應新的經濟性評估要求。需要在全壽命周期內，考慮技術經濟變量的不確定性和資金的時間價值，對交直流混合配電網的經濟性進行評估。有學者提出基于概率全壽命周期的經濟性評估方法，該方法在全壽命周期方法的基礎上，考慮了經濟性評估變量的不確定性，適用于交直流混合配電網的經濟性評估。
此外，相比于交直流混合配電網中其他設備費用，含有柔性直流裝置的交直流混合配電網中柔性直流裝置一次投資、運維費用較大，如何考慮柔性直流裝置的不確定性，是需要進一步研究的問題。
5 結語
本文對交直流混合配電網的已有研究進行總結，討論了交直流混合配電網的網架結構、優化規劃方法、調度控制方法、經濟性評估方案等關鍵技術，提出了未來交直流混合配電網規劃運行關鍵技術可能的發展方向，期望能對未來交直流混合配電網的發展提供一些借鑒。
交直流混合配電網規劃中，相比于傳統交流配電網，由于加入了柔性直流裝置和分布式源荷，需要綜合考慮規劃、運行過程，進行風險評估。優化模型目標函數側重點需要從成本更多地轉向關注電網安全風險控制。此外，由于新能源的不確定性，規劃模型及評估方案需要從傳統的確定性模型轉變為概率、隨機性模型。上述方面在交直流混合配電網規劃中應給予高度重視。
柔性直流設備給配電網的運行帶來了新的可控手段，可以實現對配電網內有功、無功潮流的連續調節。在交直流混合配電網這種新的電網形式中，如何對多種連續調節設備和離散調節設備進行協調控制，在正常運行和故障狀態下均保持良好的控制效果，值得深入研究。此外，在交直流混合配電網中，分布式電源和負荷功率均存在較大波動，將引起系統運行點的大范圍變化，研究交直流混合配電網的魯棒控制方法，從而在運行點轉移時仍具有良好的控制能力，將為其運行帶來很大的幫助。
傳統配電網面對日益多樣化的負荷和用電需求，在可靠性、經濟適用性、高效性等方面面臨巨大挑戰。國家發展和改革委員會聯合國家能源局于2015年、2016年分別出臺《配電網建設改造行動計劃(2015-2020年)的通知》和《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》等文件，明確指出要推動可再生能源生產智能化，建設高靈活性的柔性能源網絡，保證能源傳輸的靈活可控和安全穩定，大幅提升配電網接納新能源、分布式電源及多元化負荷的能力，優化配電網網架結構，提升供電可靠性水平。
目前，發用電技術的多樣化發展需求，很大程度體現在直流電源與直流負荷的日益增加。光伏電源、風力發電、燃料電池、儲能單元(電池、超級電容器等)產生的電能大部分為直流電;常用的電氣設備及大型直流負荷，如計算機、空調設備、制冷設備、電動汽車、數據中心、電氣化機車等采用直流供電更為方便。在交流配電網中，上述直流源荷都需要通過DC/AC、AC/DC、DC/DC變流器接入相應電壓等級的交流配電網，或者先組網為直流微電網再經由變流器接入交流配電網。如果直接接入相應等級的直流配電網，可以省去部分變流器，減小損耗，提高電網的供配電效率及經濟性。此外，交直流混合配電網中直流部分不存在同步問題，可以有效隔離交流側擾動和故障，保證高可靠性供電。柔性直流技術在配電網中的發展應用使交直流混合配電網可實現輸送功率的靈活控制，在常態運行中保障交直流發用電設備的高效接入，并在緊急狀態下實現快速的跨區功率支撐。
目前國內外在交直流混合配電網領域的相關研究及示范工程尚在起步階段，針對直流配電網的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亞理工大學CPES中心于2007年提出“Sustainable Building Initiative(SBI)”計劃，于2010年將其發展為“SBN(Sustainable Building and Nanogrids)”，并且提出了基于分層互聯交直流子網混合結構概念性互聯網絡結構。北卡羅萊納州立大學于2011年提出“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”結構，適用于“即插即用”型分布式電源及分布式儲能的交直流混合配電網結構。阿爾伯塔大學于2012年提出了基于變流器的交直流混合配電網結構，給出小信號分析模型并分析其穩定性。
在歐洲，意大利羅馬第二大學和英國諾丁漢大學于2008年針對交直流混合配電網提出“Universal and Flexible Power Management(UNIFLEX-PM)”方案，在各個電網的不同工況下實現能量的雙向流動。羅馬尼亞布加勒斯特理工大學于2007年提出含有替代電源的直流配電網結構，實驗證明該結構提高了電網的運行效率和電能質量。意大利米蘭理工大學提出含有分布式電源的本地直流配電網結構，實現分布式電源、負荷與電網之間能量的雙向流動。
在國內針對交直流混合配電網的研究剛剛起步，目前相關研究成果主要集中在直流配電網方面。優化規劃方面，已有對直流配電網的拓撲、電壓等級、規劃方法、可靠性、經濟性和綜合評估等問題的研究。運行調度方面，有學者對直流配電網的潮流計算、電壓分布、含分布式電源的調度等問題進行了研究。控制保護方面，對直流配電網建
模、控制策略、保護等問題均有相關研究。此外，相關“863計劃”項目獲得立項支持，其中由北京市電力公司承擔的“863計劃”項目“交直流混合配電網關鍵技術”于2015年正式啟動，旨在實現面向城市不同供電區域之間柔性直流互聯和交直流混合環網閉環運行控制，從而解決高密度可再生能源接入問題并保障交流配電網可靠性。
本文將結合現有研究成果，對交直流混合配電網的網架結構、優化規劃、調度控制、經濟性評估等內容進行歸納總結。
1 交直流混合配電網網架結構
交直流混合配電網網架結構對運行可靠性、靈活性、經濟性等方面都有重要影響。傳統交流配電網的網架結構已經非常成熟，國內外均有相關網架結構標準和案例。目前針對交直流混合配電網網架結構的研究較少，主要研究工作集中在直流配電網的網架結構設計。交直流混合配電網網架結構設計需要綜合考慮現有交流配電網的網架結構和直流配電網的研究成果，提出交直流混合配電網網架結構設計方案。
我國交流配電網中，高壓配電網網架結構主要有鏈式、環網和輻射狀結構;中壓配電網結構主要有雙環式、單環式、多分段適度聯絡和輻射狀結構;低壓配電網一般采用輻射狀結構。10kV配電網結構根據架空網和電纜網的不同可以分為2類：架空網主要包括輻射式接線和多分段適度聯絡接線2種模式;電纜網主要包括單環式接線和雙環式接線2種模式。北京市高壓配電網以環網建設、放射狀運行為主(“手拉手”式網架結構)。巴黎城區的電纜網采用三環網T接或雙環網T接方式;東京22kV電纜網采用主線備用線、環形、點狀網絡接線方式;新加坡采用“花瓣式”結構，22kV配電網采用環網連接、并列運行方式。
直流配電網網架結構主要有輻射型、兩端供電型和環型直流配電網。①輻射型直流配電網由不同電壓等級的直流母線組成骨干網絡，分布式電源、交流負載與直流負載通過電力電子裝置與直流母線相連，其結構簡單，對控制保護要求低，但供電可靠性較低;②兩端供電型直流配電網與輻射型直流配電網相比，當一側電源故障時，可以通過操作聯絡開關，由另一側電源供電，實現負荷轉供，提高整體可靠性;③環型直流配電網相比于兩端供電型直流配電網，可實現故障快速定位、隔離，其運行方式與兩端供電型直流配電網相似，且供電可靠性更高。
根據不同的應用需求，交直流混合配電網可分為含柔性直流裝置的交直流混合配電網與含直流網的交直流混合配電網，前者適用于直流源荷較少的情況，后者更加適合高密度直流源荷接入的情況。含直流網的交直流混合配電網接線模式主要包括輻射型交直流混合配電網(交直流線路間無聯絡)、多分段適度聯絡型交直流混合配電網(交直流線路間有聯絡)，兩者的網絡結構分別見圖1、圖2。
根據端口數的不同，含柔性直流裝置的交直流混合配電網主要包括兩端互聯、三端互聯、四端互聯和六端互聯等方式。
2 交直流混合配電網優化規劃技術
交直流混合配電網的優化規劃問題是配電網結構設計階段需要解決的核心問題，對交直流混合配電網的安全、可靠、經濟運行具有重要意義。
目前與交直流混合配電網優化規劃相關的研究，主要是基于傳統交流配電網規劃方法的成果，在直流配電網或直流微電網的一些特殊應用場合的規劃問題中進行應用。例如，針對海上風電接入配電網已有相關研究;此外，有學者對孤島直流微電網運行控制進行了相關研究，文獻[36～37]提出孤島直流微電網的運行方式及控制策略;文獻[38]針對直流微電網提出基于本地電壓分段控制策略的穩定性控制方法;文獻[39]研究了直流微電網的能量協調控制問題。而針對交直流混合配電網的規劃問題，著力解決在城市現有交流配電網中擴建直流子系統(包含柔性直流互聯裝置以及直流線路)的規劃方法，并沒有特別研究其關鍵技術及可行的規劃方法。
基于優化問題所需要涉及考慮的優化變量、優化目標和約束條件3方面內容，交直流混合配電網的規劃模型具有其自身的特征。
模型的優化變量需要擴展考慮直流源、荷以及柔性直流裝置的位置和容量;此外，也可結合交直流混合配電網調度運行方式增加相應的優化變量。
交直流混合配電網的優化目標依然從經濟性最優、可靠性最優2方面進行評估。經濟性評估主要從全壽命周期內投資成本、運行成本和經濟性評價指標(凈現值、投資回收期等)3方面進行評估。含有柔性直流互聯裝置的交直流混合配電網由于裝置成本占比較大，需要深入討論成本不確定性對經濟性結論的影響，從而調整優化規劃目標;含有直流線路的交直流混合配電網由于其基于已有交流配電網進行擴展規劃，通常建設時間較長，且根據直流子系統成熟度的遞增，一般可分為多個建設階段去考慮其經濟性優化的規劃目標。交直流混合配電網的可靠性評估需要反映柔性直流設備和網絡運行的綜合可靠性，并在直流子系統所能提供的緊急功率支撐條件下討論其對網絡可靠性的提升。
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現階段大量的研究主要集中在經濟性單目標優化方面：文獻[41]考慮經濟性，以網損最小為目標函數，建立了配電網重構二階錐規劃模型;文獻[42]以最小規劃年綜合費用最小為目標函數，包括線路投資費用、折舊費用和運行中年電能損耗費用，建立基于協同遺傳算法的配電網規劃模型。由于經濟性單目標優化包含的信息十分有限，多目標優化已經成為配電網規劃的研究方向：文獻[43]采用多目標規劃方法，引入電能質量目標函數，以規劃電網線路總長度最短和風電場公共接入點PCC處閃變值最小為目標函數，建立基于改進NSGA2算法的規劃模型;文獻[44]建立以最小化配電網投資、最小化網絡損耗為目標函數的多目標規劃模型。
考慮交直流混合配電網的優化模型，優化規劃問題的求解可基于以下幾類算法進行嘗試：第一類是解析算法，包括線性規劃、非線性規劃和混合整數規劃等;第二類是智能算法，包括遺傳算法、禁忌搜索算法和蟻群算法等;另外，還有基于圖論的最小生成樹等方法。
在相關的優化規劃算法嘗試方面，文獻[45]提出了基于地理信息系統和遺傳算法的配電網優化規劃方法，綜合考慮投資、維護和運行費用，包括用戶停電損失，考慮了配電網的可靠性價值;文獻[46]提出了基于蟻群算法的配電網網架優化規劃方法，將蟻群算法應用于配電網網架優化規劃問題的研究，建立了網架規劃的數學模型;文獻[47]提出了一種基于改進最小生成樹算法的配電網網架優化規劃方案，將配電網的電源點和負荷點當作頂點，將各個頂點間可能架設線路的走廊當作邊，將線路的建設費用和運行費用(主要為線損)之和作為各條邊的權，在采用基本最小生成樹算法獲得初步規劃方案的基礎上，采取動態調整各條邊的權值并反復迭代的方法，獲得總費用最小的優化規劃結果;文獻[48]將多粒子群協同優化算法應用于配電網網架結構研究;文獻[49]利用混合整數線性規劃方法解決大型風電場并網規劃問題。
交直流混合配電網規劃問題屬于大規模組合規劃問題，對于實際大系統，第一類解析算法計算時間通常較長，容易造成“維數災”問題，一般適用于小系統。如果需要采用解析算法(智能算法無法處理或陷入局部最優解)，需要對交直流混合配電網先進行分區，再對每個子區域進行規劃求解。第二類智能算法對數據的要求較低且可同時考慮多個目標函數和約束條件，適用于交直流混合配電網規劃問題。另外，大部分智能算法均可實現并行計算，可在交直流混合配電網分區的基礎上，利用智能算法的并行特性提高求解速度，且能做到在各個配電網分區間的信息交互，實現交直流混合配電網各個子分區間的聯合規劃。
3 交直流混合配電網調度與控制技術
智能電網的發展趨勢，對配電網的可控性提出了更高的要求。傳統交流配電網的可控性較差，而在交直流混合配電網中，柔性直流換流器可以靈活地調節有功功率和無功功率，大大提升了電網的控制能力，與此同時，也對配電網的調度與控制提出了更高的要求。
3.1 交直流混合配電網的調度方案
交直流混合配電網的調度方案應當結合分布式電源、儲能設備以及實際的負荷特性進行制定。由于交直流混合配電網相對傳統配電網具有不同的拓撲結構以及運行方式，因此兩者的調度方式也有所不同，交直流混合配電網中可借助柔性互聯裝置，實現多區域間潮流的廣域調度。
目前針對交直流混合配電網優化調度的研究相對較少，研究成果也相對集中在柔性交直流混合電網的最優潮流(optimal power flow，OPF)方面。文獻[52～54]分別利用遺傳算法、牛頓法以及二階錐規劃的相關技術對交直流混合電網OPF問題進行了建模和求解。在電力系統中，內點法是一種常用的優化算法，文獻[55]建立了交直流混合電網內點法OPF模型。在此基礎上，學者們進一步研究了考慮暫態穩定的交直流混合電網OPF等問題，推進了相關方法的實用化進程。在OPF研究的基礎上，已有部分研究人員對考慮多時段的交直流混合電網調度問題進行了研究，采用的方法包括通過簡化模型降低問題的求解難度，或者通過優化分解算法，將較復雜的交直流混合電網調度問題分解為若干子問題，分別進行求解等。
在上述問題中，通過優化分解算法，采用分布式的思想構建交直流混合配電網的優化調度方案，是一個較有前景的研究方向。首先，交直流混合配電網分區清晰，易于劃分各個優化主體，并且利用柔性直流換流站的功率控制能力，也可降低各子優化問題的建模和求解難度;其次，各個交流配電網區域原本就獨立運行，極大地便利了分布式優化控制系統的部署，利用分布式優化也可以充分利用各個區域的自主運行能力，進行并行計算;最后，通過分布式優化，可以避免配電網內大量信息的遠距離報送，減小了通信的需求，也保護了內部運行信息的安全。
本文研究了交直流混合配電網的多源協同分層分布式優化調度方案，其結構見圖3。
圖3 交直流混合配電網的分層分布式優化調度策略
該策略利用分層調度和分布式優化理論和方法，對含有多類型分布式發電的交直流混合主動配電網進行優化調度，以實現電能的高效生產和使用。在局部調度層，對可再生分布式能源發電結合儲能裝置進行聯合出力優化;在區域調度層，根據局部調度層的優化結果對配電網區域內的可控分布式發電以及區域間的交換功率進行調度，優化配電網的供電方式。通過仿真研究，可以證明該分層分布式優化調度策略的可行性和有效性，在局部調度層可以充分利用可再生能源，并有效利用儲能平抑波動;在區域調度層，通過分布式優化調度，可以得到整體交直流混合配電網的最優供電方案，且驗證了通過構建交直流混合配電網，可以更好地利用各個交流配電網區域不同的負荷特性，實現能量的廣域調度。
在上述分層分布式優化調度策略中，本文采用了基于分析目標級聯的分布式優化方法，從而將交直流混合配電網的優化調度問題分解到交流配電網區域和直流配電網區域分別進行求解，見圖4
3.2 交直流混合配電網的協調控制策略
多端柔性直流配電網將是構建交直流混合配電網的重要組成部分，其可靠的協調控制策略是交直流混合配電網能夠正常運行的重要保障。多端柔性直流配電網的運行控制通常采用分層的形式，分為系統級控制以及換流站級控制，其中系統級控制實現直流電網的功率平衡和電壓穩定，換流站級控制實現各個換流站快速跟隨上級運行指令，并調整其運行點。系統級控制、換流站級控制與3.1節所述調度級控制共同構成了交直流混合配電網的調度控制系統，見圖5。
對于系統級控制，可進一步分為一次和二次控制層。其中二次控制層通過快速優化控制，可消除一次控制誤差，實現多端柔性直流系統的優化運行。加入二次控制層，還可以為系統級控制帶來諸多好處，例如，可通過二次優化控制為系統級一次協調控制提供參考;或在二次控制層中通過N-1校核等手段提高系統運行的可靠性。系統級一次控制常通過設定各個換流站之間的控制模式實現，包括主從控制、電壓偏差控制和下垂控制等。其中電壓偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更寬的系統運行范圍，因此更受到認可。相關研究多集中在對上述幾種控制模式的改進，以獲得更好的協調控制效果，研究思路包括將不同的控制模式加以結合，從而在系統運行點改變時選擇合適的協調模式;或通過附加控制環以自適應地修正協調控制參數，從而獲得更優的控制效果等。
對于換流站級控制，矢量控制是目前最常用的控制形式，通過坐標變換將abc坐標系轉換至旋轉的dq坐標系，從而實現對有功功率和無功功率的直接控制。最常見的矢量控制形式利用比例—積分(proportional-integral，PI)控制器進行設計。這種形式的控制器可能存在因運行點大范圍變化而使控制效果變差的問題，因此，很多學者在其基礎上進行了改進，以改善其控制效果。
本文研究了多端柔性直流系統的分散非線性控制策略，其“分散”的特性可以保證各換流站在較少通信的條件下仍可以自主協調運行，而“非線性”的特性可以保證在運行點大范圍變化的條件下仍具有良好的控制性能，從而能夠融合多端柔性直流系統的系統級一次控制和換流站級控制目標，獲得更優的協調控制效果。
在交直流混合配電網中，間歇式分布式電源和負荷的功率波動會導致系統運行點在較大的范圍內發生變化，也給多端柔性直流配電網的控制的魯棒性和有效性提出了更高的要求。針對相關問題，有學者提出了“魯棒優化”等新興優化思想，其特點是可以保證運行點波動時結果的可行性和最優性，相關研究可為系統級二次控制層提供借鑒。此外，可進一步探索針對多端柔性直流系統的分散非線性控制方法，融合系統級一次控制與換流站級控制的功能，使多個換流站在分散、少通信的情況下，利用非線性控制保證在運行點大范圍變化的情況下仍具有良好的控制效果。上述角度將是多端柔性直流配電網協調控制層面需持續研究的問題，其結構見圖7。
4 交直流混合配電網經濟性評估
經濟性評估環節，是減少和避免交直流混合配電網建設項目決策失誤并提高項目經濟效益的重要手段。
傳統的交直流混合經濟性評估方法主要包括確定性評估方法及不確定性評估方法。確定性評估方法主要包括靜態評估法和動態評估法：靜態評估法在評價工程項目投資的經濟效果時，不考慮資金的時間價值，比較簡單直觀，但也未考慮工程項目在使用期內收益和費用的變化及各方案使用壽命的差異;動態評估法考慮了資金的時間因素，比較符合資金的動態規律，因而給出的經濟性評價更符合實際，主要包括凈現值法、內部收益率法、動態投資回收期法和費用現值比較法。
在交直流混合配電網經濟性評估中，可以采用靜態評估對交直流混合配電網的經濟性進行初步預估計，但其結果不能用于實際論證。動態評價法雖然考慮了資金的時間價值，但交直流混合配電網中技術經濟變量的不確定性較大，動態評估法也不能保證評估結果的準確性。
不確定性評估方法主要包括盈虧平衡分析和基于區間的經濟評價算法。盈虧平衡分析用來研究項目的產品產量與項目的成本及收入之間關系，進而確定項目的盈虧平衡分析。盈虧平衡分析針對當某一參數或原始數據完全無法確定時，通過分析該參數的取值范圍，以確定該參數在什么范圍內方案是經濟可取的，在什么范圍內方案是不經濟的。基于區間的經濟評價算法對現金流、利率和生命期等概念加以擴展，使之不再是一個確定的數值，而是一個區間數，進而基于區間分析對項目進行經濟性評價。
在交直流混合配電網經濟性評估中，基于區間的分析方法具有簡單易行且能較好處理不確定性信息的特點，比較適合于不確定性經濟評價。但是該方法雖然在一定程度上考慮了技術經濟變量的不確定性，但是提供的評估結果是一個區間數，并不能提供區間上的概率分布信息。
此外，還有應用較為廣泛的全壽命周期方法。當前配電系統經濟性評估中，存在忽視中長期成本、注重短期投資的問題，為了彌補這一問題，引入全壽命周期成本經濟性評價方法。該方法在產品壽命周期或其預期的有效壽命期內，考慮了產品設計、研究和研制、投資、使用、維修及產品保障中，發生或可能發生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費用的總和，此方法雖然考慮了全壽命周期內的設備和系統的成本效益，但是沒有考慮技術經濟變量的不確定性。
綜上，在交直流混合配電網經濟性評估中，傳統的經濟性評估算法已經難以適應新的經濟性評估要求。需要在全壽命周期內，考慮技術經濟變量的不確定性和資金的時間價值，對交直流混合配電網的經濟性進行評估。有學者提出基于概率全壽命周期的經濟性評估方法，該方法在全壽命周期方法的基礎上，考慮了經濟性評估變量的不確定性，適用于交直流混合配電網的經濟性評估。
此外，相比于交直流混合配電網中其他設備費用，含有柔性直流裝置的交直流混合配電網中柔性直流裝置一次投資、運維費用較大，如何考慮柔性直流裝置的不確定性，是需要進一步研究的問題。
5 結語
本文對交直流混合配電網的已有研究進行總結，討論了交直流混合配電網的網架結構、優化規劃方法、調度控制方法、經濟性評估方案等關鍵技術，提出了未來交直流混合配電網規劃運行關鍵技術可能的發展方向，期望能對未來交直流混合配電網的發展提供一些借鑒。
交直流混合配電網規劃中，相比于傳統交流配電網，由于加入了柔性直流裝置和分布式源荷，需要綜合考慮規劃、運行過程，進行風險評估。優化模型目標函數側重點需要從成本更多地轉向關注電網安全風險控制。此外，由于新能源的不確定性，規劃模型及評估方案需要從傳統的確定性模型轉變為概率、隨機性模型。上述方面在交直流混合配電網規劃中應給予高度重視。
柔性直流設備給配電網的運行帶來了新的可控手段，可以實現對配電網內有功、無功潮流的連續調節。在交直流混合配電網這種新的電網形式中，如何對多種連續調節設備和離散調節設備進行協調控制，在正常運行和故障狀態下均保持良好的控制效果，值得深入研究。此外，在交直流混合配電網中，分布式電源和負荷功率均存在較大波動，將引起系統運行點的大范圍變化，研究交直流混合配電網的魯棒控制方法，從而在運行點轉移時仍具有良好的控制能力，將為其運行帶來很大的幫助。
